電工電子技術(shù)基礎(chǔ)-第1章

電工電子技術(shù)基礎(chǔ)-第1章第一頁(yè)，共60頁(yè)。學(xué)習(xí)要點(diǎn)電流、電壓參考方向及功率計(jì)算常用電路元件的伏安特性基爾霍夫定律支路電流法與節(jié)點(diǎn)電壓法疊加定理與戴維南定理電路等效概念及其應(yīng)用分析電路過(guò)渡過(guò)程的三要素法第1章電路分析方法第二頁(yè)，共60頁(yè)。第1章電路分析方法1.1電路基本物理量1.2電路基本元件1.3基爾霍夫定律1.4電路分析方法1.5電路定理1.6電路過(guò)渡過(guò)程分析第三頁(yè)，共60頁(yè)。

電路分析的主要任務(wù)在于解得電路物理量，其中最基本的電路物理量就是電流、電壓和功率。1.1電路基本物理量為了某種需要而由電源、導(dǎo)線、開(kāi)關(guān)和負(fù)載按一定方式組合起來(lái)的電流的通路稱為電路。電路的主要功能：一：進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換、傳輸和分配。二：實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞、存儲(chǔ)和處理。第四頁(yè)，共60頁(yè)。1.1.1電流電荷的定向移動(dòng)形成電流。電流的大小用電流強(qiáng)度表示，簡(jiǎn)稱電流。電流強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體截面的電荷量。大寫(xiě)I表示直流電流小寫(xiě)i表示電流的一般符號(hào)第五頁(yè)，共60頁(yè)。正電荷運(yùn)動(dòng)方向規(guī)定為電流的實(shí)際方向。電流的方向用一個(gè)箭頭表示。任意假設(shè)的電流方向稱為電流的參考方向。

如果求出的電流值為正，說(shuō)明參考方向與實(shí)際方向一致，否則說(shuō)明參考方向與實(shí)際方向相反。第六頁(yè)，共60頁(yè)。1.1.2電壓、電位和電動(dòng)勢(shì)電路中a、b點(diǎn)兩點(diǎn)間的電壓定義為單位正電荷由a點(diǎn)移至b點(diǎn)電場(chǎng)力所做的功。電路中某點(diǎn)的電位定義為單位正電荷由該點(diǎn)移至參考點(diǎn)電場(chǎng)力所做的功。電路中a、b點(diǎn)兩點(diǎn)間的電壓等于a、b兩點(diǎn)的電位差。第七頁(yè)，共60頁(yè)。電壓的實(shí)際方向規(guī)定由電位高處指向電位低處。與電流方向的處理方法類似，可任選一方向?yàn)殡妷旱膮⒖挤较蚶?當(dāng)ua=3Vub=2V時(shí)u1=1V最后求得的u為正值，說(shuō)明電壓的實(shí)際方向與參考方向一致，否則說(shuō)明兩者相反。u2=－1V第八頁(yè)，共60頁(yè)。

對(duì)一個(gè)元件，電流參考方向和電壓參考方向可以相互獨(dú)立地任意確定，但為了方便起見(jiàn)，常常將其取為一致，稱關(guān)聯(lián)方向；如不一致，稱非關(guān)聯(lián)方向。如果采用關(guān)聯(lián)方向，在標(biāo)示時(shí)標(biāo)出一種即可。如果采用非關(guān)聯(lián)方向，則必須全部標(biāo)示。第九頁(yè)，共60頁(yè)。電動(dòng)勢(shì)是衡量外力即非靜電力做功能力的物理量。外力克服電場(chǎng)力把單位正電荷從電源的負(fù)極搬運(yùn)到正極所做的功，稱為電源的電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)的實(shí)際方向與電壓實(shí)際方向相反，規(guī)定為由負(fù)極指向正極。第十頁(yè)，共60頁(yè)。1.1.3電功率電場(chǎng)力在單位時(shí)間內(nèi)所做的功稱為電功率，簡(jiǎn)稱功率。功率與電流、電壓的關(guān)系：關(guān)聯(lián)方向時(shí)：p=ui非關(guān)聯(lián)方向時(shí)：p=－uip＞0時(shí)吸收功率，p＜0時(shí)放出功率。第十一頁(yè)，共60頁(yè)。例：求圖示各元件的功率.（a）關(guān)聯(lián)方向，P=UI=5×2=10W，P>0，吸收10W功率。（b）關(guān)聯(lián)方向，P=UI=5×(－2)=－10W，P<0，產(chǎn)生10W功率。（c）非關(guān)聯(lián)方向，P=－UI=－5×(－2)=10W，P>0，吸收10W功率。第十二頁(yè)，共60頁(yè)。1.2電路基本元件常見(jiàn)的電路元件有電阻元件、電容元件、電感元件、電壓源、電流源。電路元件在電路中的作用或者說(shuō)它的性質(zhì)是用其端鈕的電壓、電流關(guān)系即伏安關(guān)系（VAR）來(lái)決定的。第十三頁(yè)，共60頁(yè)。1.2.1無(wú)源元件伏安關(guān)系（歐姆定律）：關(guān)聯(lián)方向時(shí)：u=Ri非關(guān)聯(lián)方向時(shí)：u=－Ri1．電阻元件符號(hào)：功率：電阻元件是一種消耗電能的元件。第十四頁(yè)，共60頁(yè)。伏安關(guān)系：2．電感元件符號(hào)：電感元件是一種能夠貯存磁場(chǎng)能量的元件，是實(shí)際電感器的理想化模型。Ｌ稱為電感元件的電感，單位是亨利（Ｈ）。只有電感上的電流變化時(shí)，電感兩端才有電壓。在直流電路中，電感上即使有電流通過(guò)，但ｕ＝０，相當(dāng)于短路。第十五頁(yè)，共60頁(yè)。3．電容元件電容元件是一種能夠貯存電場(chǎng)能量的元件，是實(shí)際電容器的理想化模型。伏安關(guān)系：符號(hào)：只有電容上的電壓變化時(shí)，電容兩端才有電流。在直流電路中，電容上即使有電壓，但ｉ＝０，相當(dāng)于開(kāi)路，即電容具有隔直作用。C稱為電容元件的電容，單位是法拉（F）。第十六頁(yè)，共60頁(yè)。1.2.2有源元件1．電壓源與電流源（1）伏安關(guān)系電壓源：u=uS

端電壓為us，與流過(guò)電壓源的電流無(wú)關(guān)，由電源本身確定，電流任意，由外電路確定。電流源：

i=iS流過(guò)電流為is，與電源兩端電壓無(wú)關(guān)，由電源本身確定，電壓任意，由外電路確定。第十七頁(yè)，共60頁(yè)。（2）特性曲線與符號(hào)電壓源電流源第十八頁(yè)，共60頁(yè)。2．受控源（1）概念受控源的電壓或電流受電路中另一部分的電壓或電流控制。（2）分類及表示方法VCVS電壓控制電壓源VCCS電壓控制電流源CCVS電流控制電壓源CCCS電流控制電流源第十九頁(yè)，共60頁(yè)。VCVSi1=0u2=u1CCVSu1=0u2=ri1VCCSi1=0i2=gu1CCCSu1=0i2=βi1第二十頁(yè)，共60頁(yè)。如采用關(guān)聯(lián)方向：p

=u1i1+u2i2=u2i2

（3）受控源的功率第二十一頁(yè)，共60頁(yè)。1.3基爾霍夫定律電路中通過(guò)同一電流的每個(gè)分支稱為支路。3條或3條以上支路的連接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。電路中任一閉合的路徑稱為回路。圖示電路有3條支路，2個(gè)節(jié)點(diǎn)，3個(gè)回路。第二十二頁(yè)，共60頁(yè)。1.3.1基爾霍夫電流定律（KCL）在任一瞬時(shí)，流入任一節(jié)點(diǎn)的電流之和必定等于從該節(jié)點(diǎn)流出的電流之和。在任一瞬時(shí)，通過(guò)任一節(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和恒等于零。表述一表述二可假定流入節(jié)點(diǎn)的電流為正，流出節(jié)點(diǎn)的電流為負(fù)；也可以作相反的假定。所有電流均為正。第二十三頁(yè)，共60頁(yè)。KCL通常用于節(jié)點(diǎn)，但是對(duì)于包圍幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的閉合面也是適用的。例：列出下圖中各節(jié)點(diǎn)的KCL方程解：取流入為正以上三式相加：i1＋i2＋i3＝0

節(jié)點(diǎn)ai1－i4－i6＝0節(jié)點(diǎn)bi2＋i4－i5＝0節(jié)點(diǎn)ci3＋i5＋i6＝0第二十四頁(yè)，共60頁(yè)。1.3.2基爾霍夫電壓定律（KVL）表述一表述二在任一瞬時(shí)，在任一回路上的電位升之和等于電位降之和。在任一瞬時(shí)，沿任一回路電壓的代數(shù)和恒等于零。電壓參考方向與回路繞行方向一致時(shí)取正號(hào)，相反時(shí)取負(fù)號(hào)。所有電壓均為正。第二十五頁(yè)，共60頁(yè)。對(duì)于電阻電路，回路中電阻上電壓降的代數(shù)和等于回路中的電壓源電壓的代數(shù)和。在運(yùn)用上式時(shí)，電流參考方向與回路繞行方向一致時(shí)iR前取正號(hào)，相反時(shí)取負(fù)號(hào)；電壓源電壓方向與回路繞行方向一致時(shí)us前取負(fù)號(hào)，相反時(shí)取正號(hào)。第二十六頁(yè)，共60頁(yè)。KVL通常用于閉合回路，但也可推廣應(yīng)用到任一不閉合的電路上。例：列出下圖的KVL方程第二十七頁(yè)，共60頁(yè)。1.4電路分析方法1.4.1電阻的串聯(lián)及并聯(lián)

具有相同電壓電流關(guān)系（即伏安關(guān)系，簡(jiǎn)寫(xiě)為VAR）的不同電路稱為等效電路，將某一電路用與其等效的電路替換的過(guò)程稱為等效變換。將電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡刃ё儞Q，可以使電路的分析計(jì)算得到簡(jiǎn)化。第二十八頁(yè)，共60頁(yè)。1．電阻的串聯(lián)n個(gè)電阻串聯(lián)可等效為一個(gè)電阻第二十九頁(yè)，共60頁(yè)。分壓公式兩個(gè)電阻串聯(lián)時(shí)第三十頁(yè)，共60頁(yè)。2．電阻的并聯(lián)n個(gè)電阻并聯(lián)可等效為一個(gè)電阻第三十一頁(yè)，共60頁(yè)。分流公式兩個(gè)電阻并聯(lián)時(shí)第三十二頁(yè)，共60頁(yè)。1.4.2支路電流法支路電流法是以支路電流為未知量，直接應(yīng)用KCL和KVL，分別對(duì)節(jié)點(diǎn)和回路列出所需的方程式，然后聯(lián)立求解出各未知電流。一個(gè)具有b條支路、n個(gè)節(jié)點(diǎn)的電路，根據(jù)KCL可列出（n－1）個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)電流方程式，根據(jù)KVL可列出b－(n－1)個(gè)獨(dú)立的回路電壓方程式。第三十三頁(yè)，共60頁(yè)。圖示電路（2）節(jié)點(diǎn)數(shù)n=2，可列出2－1=1個(gè)獨(dú)立的KCL方程。（1）電路的支路數(shù)b=3，支路電流有i1、i2、i3三個(gè)。（3）獨(dú)立的KVL方程數(shù)為3－(2－1)=2個(gè)?；芈稩回路Ⅱ節(jié)點(diǎn)a

第三十四頁(yè)，共60頁(yè)。解得：i1=－1A

i2=1Ai1<0說(shuō)明其實(shí)際方向與圖示方向相反。對(duì)節(jié)點(diǎn)a列KCL方程：i2=2+i1例：如圖所示電路，用支路電流法求各支路電流及各元件功率。解：2個(gè)電流變量i1和i2，只需列2個(gè)方程。對(duì)圖示回路列KVL方程：5i1+10i2=5第三十五頁(yè)，共60頁(yè)。各元件的功率：5Ω電阻的功率：p1=5i12=5×(－1)2=5W10Ω電阻的功率：p2=10i22=5×12=10W5V電壓源的功率：p3=－5i1=－5×(－1)=5W因?yàn)?A電流源與10Ω電阻并聯(lián)，故其兩端的電壓為：u=10i2=10×1=10V，功率為：p4=－2u=－2×10=－20W由以上的計(jì)算可知，2A電流源發(fā)出20W功率，其余3個(gè)元件總共吸收的功率也是20W，可見(jiàn)電路功率平衡。第三十六頁(yè)，共60頁(yè)。例：如圖所示電路，用支路電流法求u、i。解：該電路含有一個(gè)電壓為4i的受控源，在求解含有受控源的電路時(shí)，可將受控源當(dāng)作獨(dú)立電源處理。對(duì)節(jié)點(diǎn)a列KCL方程：

i2=5+i1對(duì)圖示回路列KVL方程：5i1+i2=－4i1+10

由以上兩式解得：

i1=0.5Ai2=5.5A電壓：u=i2+4i1=5.5+4×0.5=7.5V第三十七頁(yè)，共60頁(yè)。1.4.3節(jié)點(diǎn)電壓法對(duì)只有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的電路，可用彌爾曼公式直接求出兩節(jié)點(diǎn)間的電壓。彌爾曼公式：

式中分母的各項(xiàng)總為正，分子中各項(xiàng)的正負(fù)符號(hào)為：電壓源us的參考方向與節(jié)點(diǎn)電壓uab的參考方向相同時(shí)取正號(hào)，反之取負(fù)號(hào)；電流源is的參考方向與節(jié)點(diǎn)電壓uab的參考方向相反時(shí)取正號(hào)，反之取負(fù)號(hào)。第三十八頁(yè)，共60頁(yè)。如圖電路，根據(jù)KCL有：i1+i2-i3-is1+is2=0設(shè)節(jié)點(diǎn)ab間電壓為uab，則有：因此可得：第三十九頁(yè)，共60頁(yè)。例：用節(jié)點(diǎn)電壓法求圖示電路中節(jié)點(diǎn)a的電位ua。解：求出ua后，可用歐姆定律求各支路電流。第四十頁(yè)，共60頁(yè)。1.4.4實(shí)際電源模型及其等效變換實(shí)際電源的伏安特性或可見(jiàn)一個(gè)實(shí)際電源可用兩種電路模型表示：一種為電壓源Us和內(nèi)阻Ro串聯(lián)，另一種為電流源Is和內(nèi)阻Ro并聯(lián)。第四十一頁(yè)，共60頁(yè)。同一個(gè)實(shí)際電源的兩種模型對(duì)外電路等效，等效條件為：或且兩種電源模型的內(nèi)阻相等第四十二頁(yè)，共60頁(yè)。例：用電源模型等效變換的方法求圖（a）電路的電流i1和i2。解：將原電路變換為圖（c）電路，由此可得：第四十三頁(yè)，共60頁(yè)。1.5電路定理1.5.1疊加定理在任何由線性電阻、線性受控源及獨(dú)立源組成的電路中，每一元件的電流或電壓等于每一個(gè)獨(dú)立源單獨(dú)作用于電路時(shí)在該元件上所產(chǎn)生的電流或電壓的代數(shù)和。這就是疊加定理。說(shuō)明：當(dāng)某一獨(dú)立源單獨(dú)作用時(shí)，其他獨(dú)立源置零。第四十四頁(yè)，共60頁(yè)。例：求I解：應(yīng)用疊加定理R12AIR2＋＋－4VR1R22A22I＋－R1R2I4V第四十五頁(yè)，共60頁(yè)。1.5.2戴維南定理對(duì)外電路來(lái)說(shuō)，任何一個(gè)線性有源二端網(wǎng)絡(luò)，都可以用一條含源支路即電壓源和電阻串聯(lián)的支路來(lái)代替，其電壓源電壓等于線性有源二端網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)路電壓uOC，電阻等于線性有源二端網(wǎng)絡(luò)除源后兩端間的等效電阻Ro。這就是戴維南定理。Nab＋－usRoab+－第四十六頁(yè)，共60頁(yè)。例：用戴維南定理求圖示電路的電流I。解：(1)斷開(kāi)待求支路，得有源二端網(wǎng)絡(luò)如圖(b)所示。由圖可求得開(kāi)路電壓UOC為：第四十七頁(yè)，共60頁(yè)。(2)將圖(b)中的電壓源短路，電流源開(kāi)路，得除源后的無(wú)源二端網(wǎng)絡(luò)如圖(c)所示，由圖可求得等效電阻Ro為：第四十八頁(yè)，共60頁(yè)。(3)根據(jù)UOC和Ro畫(huà)出戴維南等效電路并接上待求支路，得圖(a)的等效電路，如圖(d)所示，由圖可求得I為：第四十九頁(yè)，共60頁(yè)。1.6電路過(guò)渡過(guò)程分析1.6.1過(guò)渡過(guò)程與換路定理1．過(guò)渡過(guò)程過(guò)渡過(guò)程：電路從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，電壓、電流等物理量經(jīng)歷一個(gè)隨時(shí)間變化的過(guò)程。條件：電路結(jié)構(gòu)或參數(shù)的突然改變。產(chǎn)生過(guò)渡過(guò)程的原因：能量不能躍變。第五十頁(yè)，共60頁(yè)。2．換路定理?yè)Q路：電路工作條件發(fā)生變化，如電源的接通或切斷，電路連接方法或參數(shù)值的突然變化等稱為換路。換路定理：電容上的電壓uC及電感中的電流iL在換路前后瞬間的值是相等的，即：必須注意：只有uC、

iL受換路定理的約束而保持不變，電路中其他電壓、電流都可能發(fā)生躍變。第五十一頁(yè)，共60頁(yè)。例：圖示電路原處于穩(wěn)態(tài)，t=0時(shí)開(kāi)關(guān)S閉合，求初始值uC(0+)、iC(0+)和u(0+)。解：由于在直流穩(wěn)態(tài)電路中，電感L相當(dāng)于短路、電容C相當(dāng)于開(kāi)路，因此t=0-時(shí)電感支路電流和電容兩端電壓分別為：第五十二頁(yè)，共60頁(yè)。在開(kāi)關(guān)S閉合后瞬間，根據(jù)換路定理有：由此可畫(huà)出開(kāi)關(guān)S閉合后瞬間即時(shí)的等效電路，如圖所示。由圖得：第五十三頁(yè)，共60頁(yè)。u(0+)可用節(jié)點(diǎn)電壓法由t=0+時(shí)的電路求出，為：